劉峻，朱敏紅

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　揚(yáng)州　225101）

基于ANSYS的真空玻璃激光焊接應(yīng)力應(yīng)變分析

劉峻，朱敏紅

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225101）

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)真空平板玻璃激光焊接進(jìn)行了模擬分析，采用熱結(jié)構(gòu)耦合理論建立應(yīng)力應(yīng)變場的模型，分析了溫度梯度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生的影響。從ANSYS軟件計(jì)算分析可以得出，焊接時(shí)存在著焊接變形，尤其是在邊角處，變形最大，但最大應(yīng)變不超過破壞極限。真空保溫狀態(tài)下是邊角處變形較大，常溫下冷卻時(shí)周邊變形較小而中間部位變形最大。

激光焊接；ANSYS；應(yīng)力應(yīng)變分析

0　引言

激光焊接是一種利用激光束與材料相互作用的原理來實(shí)現(xiàn)材料固態(tài)連接的一種焊接方法，激光焊接能量集中使得線能量小、熱影響區(qū)窄、焊接變形小。激光焊接技術(shù)，在金屬或非金屬材料的焊接方面運(yùn)用的越來越廣泛。真空平板玻璃是目前國際上最先進(jìn)的透光保溫材料之一，具有優(yōu)良保溫隔熱性能、防霧防露、隔音性能、抗風(fēng)壓性能、超長的耐久性。真空玻璃屬于非金屬材料，能運(yùn)用激光焊接來進(jìn)行側(cè)封。機(jī)械手、計(jì)算機(jī)的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)激光焊接的自動(dòng)加工，能很大程度上提高側(cè)封的效率［1］。

焊接過程的技術(shù)核心通常是構(gòu)建局部加熱融化，隨后是連續(xù)的冷卻。由于焊接等局部加熱及材料本身受到的約束作用，材料在溫度較高時(shí)發(fā)生了塑性變形或相變?cè)诶鋮s之后被保留了下來，在構(gòu)件內(nèi)部形成了一個(gè)自相平衡的內(nèi)應(yīng)力場，即殘余應(yīng)力場。對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù)報(bào)、測量和分析，掌握其產(chǎn)生和存在的規(guī)律性，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施改善其分布特性，對(duì)于提高焊接結(jié)構(gòu)或接頭的承載能力，延長使用壽命具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

1　激光焊接熱源施加

在激光焊接過程中，熱源具有集中、移動(dòng)的特點(diǎn)，易形成對(duì)空間和時(shí)間梯度都很大的不均勻溫度場，同時(shí)激光焊接真空平板玻璃的特點(diǎn)要求在激光熱源加熱的區(qū)域內(nèi)是一個(gè)相對(duì)均勻的溫度場，有利于焊料對(duì)上下兩片玻璃基材的浸潤，因此考慮在模擬中均采用激光功率分布相對(duì)均勻的矩形光斑模式。研究表明：在ANSYS溫度場解析中，激光熱源模型一般分為點(diǎn)熱源、線熱源和面熱源，面熱源分布是一種比點(diǎn)狀熱源和線狀熱源更切實(shí)際的一種熱源分布函數(shù)［2］，在本文中采用近均勻分布的面熱源形式，其熱流分布函數(shù)［3］為：

式中：A—低熔點(diǎn)玻璃焊料對(duì)激光的吸收系數(shù)，這里A=0.32；P—激光功率；S—光斑面積。

在焊接過程中，激光能量是以熱流密度的形式輸入到低熔點(diǎn)焊料層中，并以一定的速率移動(dòng)，因此利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）建立載荷的矩陣表格將空間域離散到時(shí)間域上，采用生死單元技術(shù)，在不同時(shí)刻不同位置提供相應(yīng)的熱源載荷輸入，并設(shè)定一定的時(shí)間步長，通過循環(huán)加載分析來處理［4］。

完成真空平板玻璃在熱源加載后，按實(shí)際生產(chǎn)過程，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行真空保溫然后在置入常溫常壓下進(jìn)行冷卻，所以對(duì)邊界條件的處理需分兩步進(jìn)行操作：一是在真空保溫室中對(duì)平板玻璃的下表面進(jìn)行固定約束，上表面不做任何處理，即保持真空狀態(tài)，并對(duì)外表面進(jìn)行對(duì)流邊界條件處理，對(duì)流系數(shù)設(shè)為5；二是常溫常壓下冷卻過程只對(duì)平板玻璃的上表面施加標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的力，對(duì)流系數(shù)設(shè)為10，其他邊界條件與真空保溫過程相同。

2　應(yīng)力有限元分析

圖1是在真空保溫開始時(shí)的應(yīng)力圖。從圖1中可以看出應(yīng)力值最大不超過0.05Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玻璃的強(qiáng)度極限，其中Z軸方向的應(yīng)力最大不超過0.035Mpa，X、Y軸方向應(yīng)力較小，最大為0.174Mpa，且三軸均受拉應(yīng)力作用較大，壓應(yīng)力較小。所以，不會(huì)產(chǎn)生破壞，滿足要求。圖2是在真空保溫結(jié)束時(shí)的應(yīng)力圖，從圖中可以看出應(yīng)力值最大為1.2Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玻璃的彈性模量值6.89×104MPa，其中Z軸方向的拉應(yīng)力為最大0.95Mpa，X、Y軸方向拉、壓應(yīng)力較小，最大不超過0.31Mpa。不會(huì)產(chǎn)生過大應(yīng)力破壞，滿足應(yīng)力要求。

圖1　真空保溫開始時(shí)的應(yīng)力圖Fig.1 The stress diagram at the beginning of vacuum insulation

圖3是在常溫冷卻開始時(shí)的應(yīng)力圖，從圖中可以看出應(yīng)力值最大為295.285Mpa，小于玻璃的彈性模量值（6.89×104）MPa，其中Z軸方向的壓應(yīng)力為最大220.11Mpa，X、Y軸方向壓應(yīng)力較小，最大為61Mpa，且三軸受壓應(yīng)力作用遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力作用。不會(huì)產(chǎn)生破壞，滿足應(yīng)力要求。

圖2　真空保溫結(jié)束時(shí)的應(yīng)力圖Fig.2 The stress diagram at the end of vacuum insulation

圖3　常溫冷卻開始時(shí)的應(yīng)力圖Fig.3 The stress diagram at the beginning of room temperature cooling

圖4　常溫冷卻結(jié)束時(shí)應(yīng)力圖Fig.4 The stress diagram at the end of room temperature cooling

圖4是在常溫冷卻結(jié)束時(shí)的應(yīng)力圖，從圖中可以看出應(yīng)力值最大為275.333Mpa，小于玻璃的彈性模量值（6.89×104）MPa，其中Z軸方向的壓應(yīng)力為最大220.096Mpa，X、Y軸方向壓應(yīng)力較小，最大不超過62Mpa，且三軸受壓應(yīng)力作用遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力作用。不會(huì)產(chǎn)生破壞，滿足應(yīng)力要求。

3　應(yīng)變有限元分析

圖5為真空保溫開始時(shí)應(yīng)變圖。由圖5知：最大應(yīng)變值為0.194E-05mm，顯然很小，并且X、Y軸方向的壓變最大為0.164E-05mm，Z軸方向拉、壓應(yīng)變較X、Y軸較小。由以上分析可知，不會(huì)產(chǎn)生過大變形，滿足應(yīng)變要求。

圖5　真空保溫開始時(shí)應(yīng)變圖Fig.5 The strain diagram at the beginning of vacuum insulation

圖6為真空保溫結(jié)束時(shí)變形圖，由圖知：最大總體變形值為0.136E-04mm，顯然很小，并且Z軸方向的變形最大為0.116E-04mm，X、Y軸方向應(yīng)變Z軸較小。由以上分析可知，滿足應(yīng)變要求。

圖6　真空保溫結(jié)束時(shí)的應(yīng)變圖Fig.6 The strain diagram at the end of vacuum insulation

圖7為常溫冷卻開始時(shí)應(yīng)變圖，由圖知：最大總體變形值為1.335E-02mm，顯然也很小，并且X、Y軸方向應(yīng)變最大為0.165E-03mm；Z軸方向的應(yīng)變較大1.335E-02mm，且為受壓應(yīng)變。由以上分析可知應(yīng)變很小，滿足要求。

圖8為常溫冷卻結(jié)束時(shí)時(shí)應(yīng)變圖，由圖知：最大總體變形值為1.341E-02mm，顯然也很小，并且X、Y軸方向應(yīng)變最大為0.163E-03mm；Z軸方向的應(yīng)變較大1.341E-02mm，且為受壓應(yīng)變。由以上分析可知應(yīng)變很小，滿足要求。

圖7　常溫冷卻開始時(shí)應(yīng)變圖Fig.7 The strain diagram at the beginning of room temperature cooling

圖8　常溫冷卻結(jié)束時(shí)應(yīng)變圖Fig.8 The strain diagram at the end of room temperature cooling

4　結(jié)束語

由以上分析可知，整個(gè)真空保溫過程中，應(yīng)力與應(yīng)變均比較小，且為邊角處變形較大。其中，邊緣材料變形較大是材料受熱膨脹造成的。而在常溫冷卻狀態(tài)下，應(yīng)力應(yīng)變比真空狀態(tài)變大許多，但仍沒有超過安全應(yīng)力值。常溫狀態(tài)下周邊應(yīng)力應(yīng)變變小，而中間部分應(yīng)力應(yīng)變變大，究其原因，是周邊材料冷卻凝固速度較內(nèi)部較快造成的。周邊材料冷卻后，內(nèi)部材料仍有較高余溫，相對(duì)而言，內(nèi)部材料受熱膨脹，周邊材料冷卻縮小，這必然會(huì)使中間部位材料產(chǎn)生壓力及壓應(yīng)變。

［1］鄭啟光.激光先進(jìn)制造技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

［2］關(guān)振中.激光加工工藝手冊(cè)［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1998.

［3］鹿安理，石清宇，趙海燕.焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場的三維有限元數(shù)值模擬［J］.中國機(jī)械工程，2001，2.

［4］吳言高，李午申，等.焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.焊接學(xué)報(bào)，2002，3.

Stress Strain Analysis of Vacuum Glass Laser Welding Based on ANSYS

LIU Jun，ZHU Min-Hong
（Jianghai Polytechnic College，Yangzhou Jiangsu 225101，China）

By using finite element analysis software ANSYS on laser welding of vacuum plate glass is simulated and analyzed by using thermal structure coupling theory，the establishment of the stress and strain field of model，analyzes the influence of the temperature gradient produced by stress strain.From the ANSYS software calculation and analysis can be drawn，welding the existence of welding deformation，especially the maximum deformation at the corner，but the maximum strain，no more than the failure limit.Vacuum stateis the corner of large deformation under normal temperature cooling the surrounding deformation is small and middle position maximum deformation.

laser welding；ANSYS；stress strain analysis

TH132

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.035

1002-6673（2015）01-097-03

2014-12-01

劉峻（1970-），男，江蘇揚(yáng)州人，副教授，碩士，揚(yáng)州大學(xué)訪問學(xué)者。研究方向：機(jī)電設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)；朱敏紅（1969-），女，副教授，高級(jí)工程師，大學(xué)本科。研究方向：機(jī)械電子工程。